光纖氣體傳感器專利技術(shù)綜述

光纖氣體傳感器專利技術(shù)綜述摘要：本文立足于專利文獻，對光纖氣體傳感器的專利申請進行了梳理，分析了光纖氣體傳感器專利技術(shù)的申請趨勢和關鍵技術(shù)的發(fā)展歷程，有助于技術(shù)人員了解技術(shù)的發(fā)展脈絡及相關技術(shù)的分布。

關鍵詞：光纖，氣體，傳感器，專利分析

SummaryofPatentTechnologyforFiberGasSensor

LiWeiwei

WuShanshan1

LiZhan

YuanLi

(PatentExaminationCooperationHenanCenterofthePatentOffice,CNIPA,ZhengzhouHenan450018)

Abstracts:Fromtheperspectiveofthepatent,thispapercombsthepatentapplicationsofopticalfibergassensor,andanalysestheapplicationtrendsanddevelopmenthistoryofkeytechnologiesoffibergassensingpatenttechnology.Ithelpstechnicianstolearnthedevelopmentofthetechnologyandtherelevanttechnicaldistributioninthefield.

Keywords:fiber;gas;sensor；patentanalysis

一、引言

隨著工業(yè)發(fā)展、人口增加、森林砍伐等原因，空氣中有毒有害氣體的含量不斷上升，而人們對生態(tài)環(huán)境的變化越來越關注，因此對各種污染氣體進行實時監(jiān)測具有重要的現(xiàn)實意義。光纖氣體傳感器是把氣體中的特定成分檢測出來，并轉(zhuǎn)換成電信號的器件，從很早就進入人們的視線，將其用來對有毒、有害氣體的探測，可安全地用于易燃易爆或其他惡劣環(huán)境的氣體檢測。光纖傳感器技術(shù)是一項正在發(fā)展中的具有廣闊前景的新型技術(shù)，由于光纖本身在傳遞過程中具有許多優(yōu)點，如傳輸信號時能量損耗??；材料性能穩(wěn)定，在高溫、高壓、低溫、腐蝕等惡劣環(huán)境保持不變；測量范圍寬，可同時進行多參數(shù)檢測；多數(shù)情況下不改變樣品的組成，是非破壞性分析；這些優(yōu)點使光纖傳感技術(shù)一直在飛速發(fā)展[1-2]。

二、光纖氣體傳感器專利申請現(xiàn)狀

為了全面獲得光纖氣體傳感器技術(shù)領域的專利數(shù)據(jù)，筆者在incopat中進行檢索，截止2020年4月20日，光纖氣體傳感器的相關專利共有4412項?；讷@得的檢索數(shù)據(jù)，從全球?qū)＠暾埩考捌湓诓煌瑖疑暾埩?、主要申請人排名三個角度對檢索結(jié)果進行歸納。

（一）全球?qū)＠暾埩糠治?/p>

為了研究光纖氣體傳感器專利技術(shù)的發(fā)展情況，對采集的數(shù)據(jù)按照每年申請量進行統(tǒng)計分析。圖1顯示了光纖氣體傳感器的全球?qū)＠暾堏厔?。從圖1可以看出，自1993年后光纖氣體傳感器專利技術(shù)發(fā)展，大致分為技術(shù)積累期、快速增長期及穩(wěn)定期。自1993年光纖傳感器作為新的技術(shù)開始發(fā)展，全球申請量處于穩(wěn)定增長期，各國均有申請，在2005年與2008年出現(xiàn)波谷。從2009年到2013年，申請量急劇增長，并于2013年出現(xiàn)一個高峰，之后趨于穩(wěn)定。

圖1光纖氣體傳感器全球?qū)＠暾堏厔?/p>

圖2顯示了光纖氣體傳感器在不同國家的專利申請趨勢。由圖中不同國家的年申請量對比可以看出，光纖氣體傳感器技術(shù)領域的申請重點集中在中、日、美三國。在技術(shù)起步階段，對該技術(shù)研究，日本和美國都較為關注。隨著技術(shù)的發(fā)展，中國的申請量持續(xù)增長，說明此時中國對該技術(shù)的關注度持續(xù)上升。

圖2光纖氣體傳感器不同國家專利申請趨勢

（二）主要申請人排名

圖3顯示了位列前十位的申請人。從中可以看出，國外的申請人主要集中在企業(yè)公司，而國內(nèi)集中在高校及科研單位，說明雖然近些年中國專利申請量持續(xù)上升，但是大部分集中于高校及科研單位，如國家電網(wǎng)、重慶大學、天津大學、武漢理工大學等。企業(yè)申請量高，表明光纖氣體傳感技術(shù)已經(jīng)具有較大的應用價值，企業(yè)可在生產(chǎn)應用中發(fā)現(xiàn)存在的技術(shù)問題并進一步對其進行改進，因此，企業(yè)是相關專利申請的絕對主力。而高校如重慶大學、天津大學等，也有較多的申請量，多與科研性質(zhì)有關，涉及不同的相關技術(shù)，例如光子晶體光纖、石墨烯等。

圖3主要申請人排名

三，光纖氣體傳感器主要技術(shù)分支

光纖氣體傳感器具有很多優(yōu)點，如靈敏度高、精度高、分辨率高，可實現(xiàn)遠距離測量與控制等優(yōu)點。現(xiàn)根據(jù)檢測方法的不同將光纖氣體傳感器分為以下三種類型：光譜吸收型，折射率變化型，漸逝場型。

1，光譜吸收型光纖氣體傳感器

光譜吸收型氣體傳感器利用氣體的吸收光譜因氣體分子化學結(jié)構(gòu)、濃度差異產(chǎn)生的不同而進行檢測，如果光源覆蓋一個或多個氣體的吸收線，光通過待測氣體時就會發(fā)生衰減，根據(jù)比爾-朗伯定律可以計算氣體的濃度。

1984年，專利文獻JPS59137843A公開了利用光纖檢測氣體濃度的裝置。1996年，專利文獻US5567622A公開了一種用于檢測二氧化氮和四氧化二氮傳感器，利用光纖傳輸光，通過比色傳感器選擇性地與氣體發(fā)射反應，吸收激光，通過激光與回波相比較，確定分布的寬區(qū)域上氣云暴露的程度和位置，解決了可以檢測多種組分氣體的問題。然而早期光纖氣體傳感器均是利用光纖傳輸光信號，將光信號傳輸入氣體吸收池，測量吸收后光強，進一步計算待測氣體的濃度。隨著光纖制作技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有利用光纖作為氣室的光纖傳感器有2004年專利文獻CN200410037099公開了一種采用納米級微孔結(jié)構(gòu)光纖的氣體濃度傳感器，利用光纖作為氣室，實現(xiàn)對多種氣體同時檢測，提高了檢測的精度。但是其光信號耦合時利用了透鏡，存在損耗的問題。隨著光子晶體光纖技術(shù)的發(fā)展，2005年專利文獻GB0501493D0公開了一種利用空芯光子晶體光纖作為氣室，檢測氫或乙炔等多種氣體的傳感器，代替了傳統(tǒng)的光纖，提高了有效吸收光程及響應速度。

然而，光譜吸收型氣體傳感器存在難以消除系統(tǒng)的固有噪聲及光譜驅(qū)動的問題，導致測量的精度較低，限制了傳感系統(tǒng)的應用。

2，折射率變化型光纖氣體傳感器

隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了折射率變化型氣體傳感器。在裸露的光纖表面或是端面涂覆一層與氣體作用時折射率會發(fā)生變化的特殊材料，可以引起波導的參數(shù)變化，如損耗、有效折射率、雙折射等，可根據(jù)參數(shù)變化量實現(xiàn)對氣體的成分和含量進行分析。

2007年專利文獻CN200972456Y公開了一種在光纖錐圓表面濺射Pd膜的氫氣傳感器，氫氣遇到Pd膜后被吸收，膜的折射率發(fā)生變化，光通過光纖照射到Pd膜，當氫氣濃度發(fā)生變化時，會激發(fā)表面波產(chǎn)生表面等離子體共振，從而計算氫氣濃度。2008年專利文獻US5744608A公開了一種包括光纖的光纖氣體傳感器，光纖芯周圍具有不同調(diào)幅輪廓的第一和第二折射率周期調(diào)制光柵結(jié)構(gòu)，敏感層位于光柵結(jié)構(gòu)的光纖包層周圍，基于折射率變化對氣體的成分和濃度進行測量，即利用光纖光柵結(jié)構(gòu)檢測氣體?；谑┘夹g(shù)的發(fā)展，2009年，韓國專利文獻KR10-2009-0096439公開了一種具有碳納米結(jié)構(gòu)的層的光纖氣體傳感器，其在光纖纖芯設置一層碳納米結(jié)構(gòu)，可以是石墨烯，利用表面折射率對氣體吸附敏感的反應，用于檢測氣體。2012年，專利文獻CN102621104A公開了一種石墨烯薄膜增敏的D型光纖SPR傳感器及制備方法，其在D型光纖表面鍍銀膜及石墨烯薄膜層，增加傳感結(jié)構(gòu)的靈敏度，可以用于微量氣體的檢測。2014年專利文獻CN103954590A公開了一種采用石墨烯覆蓋的微光纖氣體傳感器，通過在微光纖中段覆蓋一單層石墨烯材料，利用其與微量氣體接觸會明顯改變介電常數(shù)，從而改變折射率，通過干涉譜辨別氣體的類型，具有尺寸微小、精度高、靈敏度高、可重復使用的優(yōu)點。2018年，專利文獻CN108387494A公開了一種基于空芯Bragg光纖的PM2.5濃度檢測裝置，不同濃度的PM2.5粒子通入空芯Bragg光纖纖芯與涂覆在纖芯內(nèi)表面的摻碘聚乙炔薄膜接觸時，薄膜折射率發(fā)生變化，導致纖芯有效折射率發(fā)生改變，導致中心波長發(fā)生變化，從而獲取待測PM2.5濃度，空芯Bragg光纖與實芯光子晶體光纖相比，靈敏度更高，結(jié)構(gòu)簡單，響應速度快，檢出限低，可避免測量過程中電源電壓、環(huán)境溫濕度波動引起的干擾。

折射率變化型光纖氣體傳感，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，靈敏度高，但是存在膜層污染問題，目前沒有較好的解決方法。

3，漸逝場型光纖氣體傳感器

光在光密介質(zhì)/光疏介質(zhì)界面發(fā)生全反射時，在光疏介質(zhì)中存在強度按指數(shù)規(guī)律衰減的漸逝場，光波導在光纖芯中傳播時，包層中也存在漸逝場，如果漸逝場區(qū)域存在吸收介質(zhì)，則全反射光能量減少，通過測量光能的衰減量可以計算氣體的濃度。

1993年，Hewlett-Packard公司公開了一種感測環(huán)境中氣體的裝置（公開號US5233194A），利用光波導諧振現(xiàn)象，薄膜沉積在光波導上，電介質(zhì)膜材料具有比氣體更高的折射率，隨著倏逝波的產(chǎn)生及參數(shù)變化檢測氣體。1999年，專利文獻US6006582A公開了在光纖纖芯表面鍍一層鈀膜，由于鈀膜上生成表面等離子波，對光波產(chǎn)生吸收作用，使?jié)u逝場發(fā)生改變，影響對光波的吸收，通過檢測光強的變化可以得到氫濃度的變化。而國內(nèi)在此方面也有一定的研究，2008年，專利文獻CN101299020A公開了一種基于單根高分子納米線的光學氣體傳感器，用一根拉錐維納光纖通過倏逝波耦合區(qū)把光輸入到單根高分子納米線一端，另一端也通過倏逝波耦合區(qū)把光輸出，以形成傳輸光信號變化的光學氣體傳感器，具有小型化、結(jié)構(gòu)簡單的特點，可檢測ppm量級的氨氣和二氧化氮，響應速度比傳統(tǒng)薄膜傳感器快1-2個數(shù)量級。2012年專利文獻CN102607610A公開了一種太赫茲多孔光纖倏逝波傳感器件，在纖芯中均布沿軸向呈正三角形周期性排列的亞波長空氣孔，包層由位于纖芯外部的待測氣體或液體組成，利用纖芯與包層界面處的倏逝波實現(xiàn)傳感特性，有效降低了基膜有效折射率，減小材料吸收損耗和波導色散。2012年專利文獻CN102607609A公開了一種新型高靈敏度光子晶體光纖太赫茲倏逝波傳感器件，在實心光子晶體光纖的纖芯設置摻雜芯并增設空氣孔，以提高靈敏度，可以用于瓦斯氣體、空氣污染等檢測方面。筆者發(fā)現(xiàn)也有利用光纖光柵結(jié)合光倏逝波測試氣體濃度的研究（CN110823840A）。

對于漸逝場型光纖氣體傳感，存在與折射率型相同的問題，即膜層污染問題。

四、小結(jié)

目前，國內(nèi)外對光纖氣體傳感器的研究已經(jīng)取得了一定的進展，基于光纖制作技術(shù)、光子晶體光纖、石墨烯及光纖光柵等相關先進技術(shù)各自的優(yōu)點及相關技術(shù)的發(fā)展，越來越多的光纖氣體傳感器被用于生活的方方面面，例如空氣污染